البرمجيات الأساسية للبنية التحتية السيبرانية على متن الطائرة من مقاتلة الإضراب الموحد F-35

نظرة عامة على المكونات الرئيسية لـ "نظام المعلومات اللوجستية المستقل" (ALIS) لمقاتلة الإضراب الموحد طراز F-35. تحليل مفصل لـ "وحدة الدعم القتالي" ومكوناته الأربعة الرئيسية: 1) واجهة الإنسان البشرية ، 2) نظام الرقابة التنفيذية ، 3) نظام المناعة على متن الطائرة ، 4) نظام إلكترونيات الطيران. بعض المعلومات عن البرامج الثابتة لمقاتلة F-35 وعن الأدوات المستخدمة في البرنامج الموجود على متنها. تم إجراء مقارنة مع النماذج السابقة من المقاتلين القتاليين ، كما تمت الإشارة أيضًا إلى احتمالات مواصلة تطوير الطيران العسكري.

- مقدمة
- نظام المعلومات اللوجستية المستقلة
- وحدة دعم القتال
- واجهة نظام الإنسان
- نظام التنفيذ والتحكم
- جهاز المناعة على متن الطائرة
- نظام الكترونيات الطيران المتقدم
- ALIS نواة العمارة

Fighter F-35 هي سرب متنقل لجميع أنواع أجهزة الاستشعار ذات التقنية العالية ، مما يوفر ما مجموعه "الوعي الظرفي 360 درجة".

مقدمة

أصبحت أنظمة أجهزة سلاح الجو أكثر تعقيدًا بمرور الوقت. [27] أصبحت البنية التحتية السيبرانية (مكونات البرمجيات والأجهزة التي تتطلب ضبط الخوارزمية الدقيقة) أكثر تعقيدًا بالتدريج. باستخدام مثال سلاح الجو الأمريكي ، يمكن للمرء أن يرى كيف توسعت البنية التحتية السيبرانية للطائرات العسكرية ـ مقارنة بمكوناتها التقليدية من الأجهزة ـ تدريجياً من أقل من 5٪ (للطائرة من طراز F-4 ، مقاتلة من الجيل الثالث) إلى أكثر من 90٪ (للطائرة F-35 ، مقاتلة الجيل الخامس). [5] من أجل ضبط التكوين الحسابي لهذه البنية التحتية السيبرانية ، فإن F-35 مسؤول عن أحدث البرامج التي تم تطويرها خصيصًا لهذه الأغراض: "نظام معلومات النقل والإمداد المستقل" (ALIS).

نظام المعلومات اللوجستية المستقلة

في عصر الجيل الخامس من المقاتلين ، يتم قياس التفوق العسكري ، أولاً وقبل كل شيء ، من خلال نوعية الوعي الظرفي. [10] لذلك ، المقاتلة F-35 هي سرب تحلق من جميع أنواع أجهزة الاستشعار ذات التقنية العالية ، مما يوفر ما مجموعه الوعي 360 درجة الظرفية. [11] ضربة جديدة في هذا الصدد هي ما يسمى "معمارية المستشعرات المتكاملة" (ISA) ، والتي تتضمن مستشعرات تتفاعل بشكل ديناميكي بشكل مستقل مع بعضها البعض (ليس فقط في هدوء ، ولكن أيضًا في بيئة تكتيكية متنازع عليها) ، والتي ، من الناحية النظرية ، ينبغي أن تؤدي إلى زيادة أكبر في جودة الوعي بالموقف. [7]. ومع ذلك ، لكي تدخل هذه النظرية موضع التنفيذ ، من الضروري إجراء معالجة حسابية عالية الجودة لجميع البيانات الواردة من المستشعرات.

لذلك ، تحمل F-35 البرامج على متنها باستمرار ، حيث يتجاوز الحجم الكلي لرموز المصدر 20 مليون خط ، وغالبًا ما يطلق عليها "الكمبيوتر الطائر". [6] نظرًا لأنه في الحقبة الحالية الخامسة من مقاتلي الإضراب ، يتم قياس التفوق القتالي بجودة الوعي الظرفي ، حيث يقوم ما يقرب من 50 ٪ من رمز البرنامج (8.6 مليون خط) بمعالجة خوارزمية معقدة - لصق جميع البيانات الواردة من المستشعرات في صورة واحدة عن مسرح العمليات. في الوقت الحقيقي.

ديناميات التحول لضمان وظيفة الطائرات المقاتلة الأمريكية على متن الطائرة - نحو البرمجيات

"نظام المعلومات اللوجستية المستقلة" (ALIS) مسؤول عن ذلك على متن الطائرة F-35 ، والتي تزود المقاتل بمهارات مثل 1) التخطيط (من خلال أنظمة إلكترونيات الطيران المتقدمة) ، 2) الحفاظ على (القدرة على العمل كوحدة قتالية رائدة) ، و 3) التعزيز (القدرة على العمل كوحدة قتالية موجهة). [4] "رمز الترابط" هو المكون الرئيسي لـ ALIS ، والذي يمثل 95٪ من رمز البرنامج بالكامل للمقاتلة F-35. الأخرى 50 ٪ من رمز ALIS ينفذ الثانوية إلى حد ما ، ولكن أيضا عمليات حسابية مكثفة للغاية. [12] لذلك ، فإن F-35 هي واحدة من أكثر النظم القتالية تعقيدًا التي تم تطويرها على الإطلاق. [6]

ALIS هو نظام الطيار الآلي المشروط الذي يجمع بين مجمع متكامل من مجموعة واسعة من النظم الفرعية المحمولة جوا. ويشمل أيضًا التفاعل الفعال مع الطيار من خلال تزويده بمعلومات عالية الجودة حول مسرح العمليات (الوعي الظرفي). يعمل برنامج ALIS kernel باستمرار في الخلفية ، مما يساعد الطيار في اتخاذ القرارات وإعطائه نصائح في أوقات الطيران الحرجة. [13]

وحدة دعم القتال

واحدة من أهم النظم الفرعية لـ ALIS هي "وحدة دعم استخدام القتال" ، التي تتكون من خمسة عناصر رئيسية [13]:

1) "واجهة نظام الإنسان" - توفر تصوراً عالي الجودة لمسرح الحرب (مريح وشامل وموجز). [12] عند مشاهدة هذا المسرح ، يتخذ الطيار قرارات تكتيكية ويعطي فرقًا قتالية ، والتي بدورها تتم معالجتها بواسطة وحدة ICS.

2) "نظام التنفيذ والتحكم" (IKS) - التفاعل مع وحدات مراقبة الأسلحة على متن الطائرة ، يضمن تنفيذ فرق القتال التي يعطيها الطيار من خلال واجهة النظام البشري. تسجل IKS أيضًا الضرر الفعلي الناجم عن استخدام كل فريق قتال (من خلال أجهزة استشعار الملاحظات) ، لتحليلها لاحقًا بواسطة نظام إلكترونيات الطيران.

3) "الجهاز المناعي على متن الطائرة" (LSI) - يراقب التهديدات الخارجية ، وعند اكتشافه ، ينفذ التدابير المضادة اللازمة للقضاء على التهديدات. في الوقت نفسه ، يمكن لـ LSI الاستمتاع بدعم الوحدات القتالية الودية المشاركة في عملية تكتيكية مشتركة. [8] لهذا ، يتفاعل LSI عن كثب مع أنظمة إلكترونيات الطيران - من خلال نظام الاتصالات.

4) "نظام إلكترونيات الطيران" - يحول الدفق الخام للبيانات الواردة من جميع أنواع المستشعرات إلى وعي ظرفي عالي الجودة ، يمكن الوصول إليه من خلال واجهة نظام الإنسان.

5) "نظام الاتصالات" - يتحكم في حركة المرور على الشبكة وحركة الشبكة الخارجية ، إلخ. يعمل كحلقة وصل بين جميع الأنظمة على متن الطائرة ؛ وكذلك بين جميع المشاركين في عملية تكتيكية مشتركة ، وحدات قتالية.

واجهة النظام البشري

من أجل تلبية الحاجة إلى الوعي الظرفي عالي الجودة والشامل ، فإن التواصل والتصور في قمرة القيادة للمقاتل أمران مهمان للغاية. وجه ALIS بشكل عام ووحدة الدعم القتالية بشكل خاص هو "نظام العرض الفرعي للتصور البانورامي" (أنظمة عرض الاتصالات L-3). يتضمن شاشة لمس كبيرة عالية الدقة (LADD) وقناة اتصال عريضة النطاق. يعمل برنامج L-3 على نظام التشغيل Integrity 178B OS (نظام التشغيل في الوقت الحقيقي لبرنامج Green Hills) ، وهو نظام التشغيل الرئيسي على متن الطائرة F-35.

اختار مهندسو البنية التحتية السيبرانية F-35 نظام Integrity 178B OS ، موجهًا بست ميزات خاصة بنظام التشغيل هذا: 1) الامتثال لمعايير البنية المفتوحة ، 2) توافق Linux ، 3) توافق واجهة برمجة تطبيقات POSIX ، 4) تخصيص ذاكرة آمنة ، 5) متطلبات خاصة السلامة و 6) دعم مواصفات ARINC 653. [12] ARINC 653 هي واجهة برمجية للتطبيق تستخدم في إلكترونيات الطيران. تتحكم هذه الواجهة في الفصل الزمني والمكاني لموارد نظام كمبيوتر للطيران وفقًا لمبادئ إلكترونيات الطيران المتكاملة. ويحدد أيضًا واجهة البرنامج التي يجب أن يستخدمها برنامج التطبيق للوصول إلى موارد نظام الكمبيوتر.

عرض النظام الفرعي لتصور بانورامي

نظام التحكم التنفيذي

كما ذُكر أعلاه ، فإن ICS ، بالتفاعل مع وحدات مراقبة الأسلحة الموجودة على متن الطائرة ، يضمن تنفيذ فرق القتال وتسجيل الأضرار الفعلية الناجمة عن استخدام كل فريق قتالي. قلب ICS هو حاسوب عملاق ، يشار إليه بشكل طبيعي أيضًا باسم "الأسلحة المحمولة جواً".

نظرًا لأن حجم المهام المعيّنة على الكمبيوتر العملاق على متن الطائرة ضخم ، فقد زاد من القوة ويلبي المتطلبات العالية لتحمل الأعطال وقوة المعالجة ؛ وهي مجهزة أيضًا بنظام تبريد سائل فعال. لقد تم اتخاذ جميع هذه التدابير لضمان أن نظام الكمبيوتر على متن الطائرة قادر على معالجة صفائف البيانات الضخمة بكفاءة وأداء معالجة حسابية متقدمة - والتي تزود الطيار بوعي ظرفي فعال: أعطه معلومات شاملة عن مسرح العمليات. [12]

الحواسيب العملاقة على متن الطائرة من طراز F-35 قادرة على أداء 40 مليار عملية في الثانية بشكل مستمر ، مما يضمن تنفيذ المهام المتعددة للخوارزميات كثيفة الاستخدام للموارد من إلكترونيات الطيران المتقدمة (بما في ذلك معالجة البيانات الكهربائية الضوئية والأشعة تحت الحمراء والرادار). [9] في الوقت الحقيقي. بالنسبة للمقاتلة F-35 ، لا يمكن إجراء كل هذه الحسابات المكثفة حسابيًا على الجانب (حتى لا يتم تزويد كل وحدة قتالية بحاسوب فائق) ، لأن كثافة التدفق الكلي للبيانات الواردة من جميع المستشعرات تتجاوز سرعة نقل أسرع أنظمة الاتصال بمقدار 1000 مرة على الأقل. [12]

لضمان زيادة الموثوقية ، يتم تطبيق جميع الأنظمة المهمة على متن الطائرة من طراز F-35 (بما في ذلك إلى حد ما الكمبيوتر العملاق على متن الطائرة) باستخدام مبدأ التكرار: بحيث يمكن أن تقوم عدة أجهزة مختلفة بتنفيذ نفس المهمة على متن الطائرة. علاوة على ذلك ، فإن متطلبات التكرار هي أن العناصر المكررة تم تطويرها بواسطة شركات تصنيع بديلة ولديها بنية بديلة. بسبب هذا ، يتم تقليل احتمال الفشل المتزامن للأصل والمكرر. [1 ، 2] بما في ذلك ، لذلك ، يعمل الكمبيوتر المضيف بنظام تشغيل يشبه نظام Linux ، ويقوم العبيد بتشغيل Windows. [2] أيضًا ، من أجل فشل أحد أجهزة الكمبيوتر ، يمكن أن تستمر وحدة دعم القتال في العمل (على الأقل في وضع الطوارئ) ، تم تصميم بنية ALIS kernel على مبدأ "خادم متعدد الخيوط للعميل الموزع للحوسبة الموزعة". [18]

الجهاز المناعي المحمول جوا

في البيئة التكتيكية المتنازع عليها ، يتطلب الحفاظ على المناعة على متن الطائرة مزيجًا فعالًا من الاستقرار والتكرار والتنوع والوظائف الموزعة. لم يكن الطيران العسكري بالأمس يحتوي على جهاز مناعي واحد محمول على الهواء (BIS). كان لها ، الطيران ، LSI مجزأة ويتألف من عدة عناصر تعمل بشكل مستقل. تم تحسين كل مكون من هذه المكونات لمقاومة مجموعة ضيقة محددة من أنظمة الأسلحة: 1) المقذوفات البالستية ، 2) الصواريخ التي تشير إلى مصدر الترددات الراديوية أو الإشارات الكهروضوئية ، 3) الإشعاع الليزري ، 4) إشعاع الرادار ، إلخ. عند اكتشاف هجوم ، يتم تنشيط النظام الفرعي LSI المقابل تلقائيًا ويتخذ تدابير مضادة.

تم تصميم مكونات LSI الأمس وتطويرها بشكل مستقل من قبل مختلف المقاولين. نظرًا لأن هذه المكونات ، كقاعدة عامة ، كان لها بنية مغلقة ، فإن تحديث LSI - كلما توفرت تقنيات جديدة وأنظمة أسلحة جديدة - تضاف إلى إضافة مكون LSI مستقل آخر. العيب الأساسي لمثل LSI المجزأة - الذي يتكون من مكونات مستقلة ذات بنية مغلقة - هو أن شظاياها لا يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض وليست قابلة للتنسيق المركزي. بمعنى آخر ، لا يمكنهم التواصل مع بعضهم البعض وتنفيذ عمليات مشتركة ، مما يحد من موثوقية LSI بأكملها وقدرتها على التكيف ككل. على سبيل المثال ، إذا فشل أحد الأنظمة الفرعية المناعية أو تم إتلافه ، فلن تتمكن الأنظمة الفرعية الأخرى من تعويض هذه الخسارة بشكل فعال. بالإضافة إلى ذلك ، يؤدي تجزئة LSI غالبًا إلى ازدواجية مكونات التكنولوجيا الفائقة ، مثل المعالجات والشاشات ، [8] مما يقلل من SWaP (الحجم والوزن واستهلاك الطاقة) في سياق "المشكلة الخضراء الأبدية" [16]. ليس من المستغرب أن تصبح LSIs القديمة هذه تدريجيًا بالية.

يتم استبدال LSIs مجزأة بواسطة نظام مناعة واحد الموزعة على متن الطائرة ، التي تسيطر عليها "تحكم المعرفي الذكي" (ICC). KIC هو برنامج خاص ، هو الجهاز العصبي المركزي الموجود على متن الطائرة ، والذي يعمل على قمة النظم الفرعية المدمجة في LSI. يدمج هذا البرنامج جميع أنظمة LSI الفرعية في شبكة واحدة موزعة (مع معلومات مشتركة وموارد مشتركة) ، كما يربط جميع LSIs بمعالج مركزي وأنظمة أخرى على متن الطائرة. [8] الأساس لمثل هذا الارتباط (بما في ذلك التكامل مع المكونات التي سيتم تطويرها في المستقبل) هو المفهوم المقبول عمومًا لـ "نظام الأنظمة" (SoS) ، [3] مع خصائصه المميزة مثل قابلية التوسع ومواصفات عامة وهيكل مفتوح الأجهزة والبرامج.

KIC لديه حق الوصول إلى المعلومات من جميع النظم الفرعية BIS. وتتمثل مهمتها في مقارنة وتحليل المعلومات الواردة من النظم الفرعية LSI. تعمل KIC باستمرار في الخلفية ، وتتفاعل باستمرار مع جميع النظم الفرعية LSI - تحديد كل تهديد محتمل ، وتوطينه ، وأخيراً يوصي الطيار بمجموعة مثالية من التدابير المضادة (مع مراعاة القدرات الفريدة لكل نظام فرعي LSI). لهذا ، تستخدم KIC خوارزميات إدراكية متقدمة [17-25].

وهكذا كل طائرة لديها KIC الفردية الخاصة بها. ومع ذلك ، من أجل تحقيق تكامل أكبر (ونتيجة لذلك ، زيادة الموثوقية) ، يتم توحيد غرفة التجارة الدولية لجميع الطائرات المشاركة في عملية تكتيكية في شبكة مشتركة واحدة ، يتم تنسيقها بواسطة "نظام المعلومات اللوجستية المستقلة" (ALIS). [4] عندما يحدد أحد KIC تهديدًا ، يقوم ALIS بحساب أكثر الإجراءات المضادة فاعلية ، وذلك باستخدام معلومات جميع KIC ودعم جميع الوحدات القتالية المشاركة في العملية التكتيكية. ALIS "يعرف" الخصائص الفردية لكل KIC ، ويستخدمها لتنفيذ تدابير مضادة منسقة.

تتعامل LSI الموزعة مع التهديدات الخارجية (المتعلقة بالأعمال القتالية للعدو) والتهديدات الداخلية (المتعلقة بطريقة الفروق الدقيقة في العمليات). على متن مقاتلة F-35 ، يكون نظام إلكترونيات الطيران مسؤولاً عن معالجة التهديدات الخارجية ، و VRAMS ("نظام ذكي للإبلاغ عن المخاطر المرتبطة بمناورات المعدات الخطرة") مسؤول عن معالجة التهديدات الداخلية. [13] تتمثل المهمة الرئيسية لـ VRAMS في تمديد فترات تشغيل الطائرة بين جلسات الصيانة اللازمة. للقيام بذلك ، يقوم VRAMS بجمع معلومات في الوقت الفعلي حول صحة النظم الفرعية الأساسية (محرك الطائرات ، محركات الأقراص المساعدة ، المكونات الميكانيكية ، الأنظمة الفرعية الكهربائية) ويحلل حالتها الفنية ؛ مع الأخذ في الاعتبار المعلمات مثل ذروة درجة الحرارة ، وانخفاض الضغط ، وديناميات الاهتزاز وجميع أنواع التداخل. بناءً على هذه المعلومات ، يقدم VRAMS توصيات مقدمة رائدة حول كيفية التصرف من أجل ترك الطائرة آمنة وسليمة. يتنبأ VRAMS بالنتائج التي قد تؤدي إليها هذه الإجراءات التجريبية أو غيرها ، كما يقدم توصيات حول كيفية تجنبها. [13]

يسعى VRAMS القياسي لتحقيق صفر صيانة مع الحفاظ على الموثوقية الفائقة والتعب الهيكلي المنخفض. لتحقيق هذا الهدف ، تعمل مختبرات الأبحاث على إنشاء مواد ذات بنية ذكية - والتي ستكون قادرة على العمل بفعالية في ظروف عدم الصيانة. يقوم الباحثون في هذه المختبرات بتطوير طرق للكشف عن الشقوق الصغيرة والظواهر الأخرى التي تسبق الأعطال ، وذلك لمنع حدوث أي أعطال محتملة مقدمًا. يجري البحث أيضًا من أجل فهم أفضل لظاهرة التعب الهيكلي من أجل استخدام هذه البيانات لتنظيم مناورات الطائرات من أجل تقليل التعب الهيكلي - وهلم جرا. إطالة العمر الإنتاجي للطائرة. [13] في هذا الصدد ، من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن حوالي 50 ٪ من المقالات في مجلة "Advanced in Engineering Software" مكرسة لتحليل قوة وهشاشة الخرسانة المسلحة وغيرها من الهياكل.

ذكي نظام الاتصالات خطر للمناورات الخطرة المعدات

نظام الكترونيات الطيران المتقدم

تشتمل الوحدة الموجودة على متن الطائرة لضمان الاستخدام القتالي لمقاتلة F-35 على نظام إلكترونيات طيران متقدم مصمم لحل مهمة طموحة:

تضمنت أنظمة إلكترونيات الطيران بالأمس عدة أنظمة فرعية مستقلة (تتحكم في أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ، والرادار ، والسونار ، والحرب الإلكترونية وغيرها) ، وقد تم تجهيز كل منها بشاشة خاصة بها. لهذا السبب ، كان على الطيار أن يتناوب النظر في كل من شاشات العرض وأن يقوم يدويًا بتحليل ومقارنة البيانات الواردة منها. من ناحية أخرى ، فإن نظام إلكترونيات الطيران اليوم ، الذي تم تجهيز مقاتلة F-35 به على وجه الخصوص ، يمثل جميع البيانات التي كانت متباينة في السابق كمورد واحد ؛ على شاشة واحدة مشتركة. وهكذا نظام إلكترونيات الطيران الحديث هو نظام متكامل لدمج البيانات التي تتمحور حول الشبكة ويزود الطيار بأكثر الوعي الظرفي فعالية ؛ وبالتالي تخفيف له من الحاجة إلى إجراء حسابات تحليلية معقدة. نتيجة لذلك ، نظرًا لاستبعاد العامل البشري من الحلقة التحليلية ، لا يمكن للطيار الآن أن يصرف انتباهه عن المهمة القتالية الرئيسية.

– F-22. , , 1,7 . , 90% Ada. , – ALIS, – F-35, F-22 .

ALIS F-22. 1,7 , – 8,6 . , C/C++. , , – , . , , , . وهكذا , F-35, , - – . [12]

ALIS

, , : ; ; ; , , , ; . ALIS – , F-35.

ومع ذلك ، فإن هذه الهندسة المعمارية ، مثل كل عبقري ، بسيطة. مفهوم آلات الحالة المحدودة تم اعتباره أساسه. يتم تطبيق هذا المفهوم في إطار ALIS من حيث أن جميع مكونات البرنامج على متن مقاتلة F-35 لديها بنية موحدة. بالاقتران مع بنية خادم عميل متعدد الخيوط للحوسبة الموزعة ، يلبي النواة الآلية ALIS جميع المتطلبات المتضاربة الموصوفة أعلاه. يتكون كل مكون من مكونات برنامج ALIS من واجهة "ملف .h" والتكوين الخوارزمي لـ "ملف .cpp". ويرد هيكلها المعمم في الملفات المصدر المرفقة بالمقال (انظر المفسدين الثلاثة التالية).

#include "battle.h" CBattle::~CBattle() { } BOOL CBattle::Battle() { BATTLE_STATE state; switch (m_state) { case AU_BATTLE_STATE_1: if (!State1Handler(...)) return FALSE; m_state = AU_STATE_X; break; case AU_BATTLE_STATE_2: if (!State2Handler(...)) return FALSE; m_state = AU_STATE_X; break; case AU_BATTLE_STATE_N: if (!StateNHandler(...)) return FALSE; m_state = AU_STATE_X; break; } return TRUE; } 

 #ifndef AUTOMATA1_H #define AUTOMATA1_H typedef enum AUTOMATA1_STATE { AU1_STATE_1, AU1_STATE_2, ... AU1_STATE_N }; class CAutomata1 { public: CAutomata1(); ~CAutomata1(); BOOL Automata1(); private: BOOL State1Habdler(...); BOOL State2Handler(...); ... BOOL StateNHandler(...); AUTOMATA1 m_state; }; #endif 

 #include "automata1.h" void main() { CAutomata1 *pAutomata1; pAutomata1 = new CAutomata1(); while (pAutomata->Automata1()) {} delete pAutomata1; } 

خلاصة القول ، يمكن الإشارة إلى أنه في البيئة التكتيكية المتنازع عليها ، تمتلك الوحدات القتالية التابعة للقوات الجوية بنية تحتية على الإنترنت تجمع بشكل فعال بين الاستقرار والتكرار والتنوع والوظائف الموزعة. KIC و ALIS من الطيران الحديثة تلبية هذه المتطلبات. ومع ذلك ، سيتم أيضًا توسيع درجة اندماجهم في المستقبل للتفاعل مع وحدات الجيش الأخرى ، في حين أن الاندماج الفعلي للقوات الجوية لا يغطي وحدته.